CN109540286A - 一种基于非对称沟道的场效应晶体管太赫兹波探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于非对称沟道的场效应晶体管太赫兹波探测器，包括：用来接收太赫兹波信号的贴片天线，用于探测该贴片天线接收的太赫兹波信号并整流成较微弱的直流信号读出的非对称沟道的N型‑金属‑氧化物‑半导体场效应晶体管；所述贴片天线及晶体管组之间设置有由三根传输线组成T形阻抗匹配网络，以使天线馈电处的输入阻抗与N型‑金属‑氧化物‑半导体场效应晶体管的源极输入阻抗匹配，以实现贴片天线到N型‑金属‑氧化物‑半导体场效应晶体管之间的功率最大化传输。本发明能对太赫兹波信号有更高响应，以增大探测响应度。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹波探测器技术领域，具体涉及一种基于非对称沟道的场效应晶体管太赫兹波探测器。
背景技术
太赫兹技术被认为是“未来改变世界的十大技术之一”。目前，国际上对太赫兹辐射波段两侧的电磁波技术，即红外技术和微波技术的研究水平已经非常成熟。由于缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测手段,并且此波段既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合用微波电子学理论来研究，所以目前科学界对于该波段的了解一直比较有限,于是太赫兹成为电磁波谱中最后一个未被全面研究的频率窗口,以至于它被业内称为电磁波谱中的“太赫兹空隙(terahertz gap)”。从二十多年前开始,随着太赫兹辐射源和太赫兹探测器的相继问世及快速发展,太赫兹技术的研究和应用才有了较快发展,因为太赫兹辐射的量子能量很低，信噪比很高，频谱极宽，具有一系列特殊的性质，在基础研究、核技术、医疗诊断、安全检测、射电天文、物体成像、宽带移动通信和国防军事等领域显示了重大的科学价值及实用前景,与此同时,其他方面的工程应用潜力也受到关注。目前国际上已提出基于场效应晶体管的探测器结构，该结构是将片上贴片天线接收到的太赫兹波信号传输到N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管(NMOSFET)的源极，并在天线处以及N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管的栅极分别接固定电势，此外，为了使天线与晶体管之间的阻抗匹配好，还在天线与晶体管之间进行了阻抗匹配网络的设计。并且为了消除偏置电压对天线与晶体管阻抗匹配的影响，还在偏置端接了一根四分之一波长的传输线。该结构的缺点是标准工艺的N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管对THz信号的响应不高，不能获得晶体管整流的最大电流，并且阻抗匹配网络的设计在高频时不适用。
综上所述，为了克服使用标准工艺的N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管获得整流信号较小的问题，迫切需要提出一种非对称沟道的N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管，解决晶体管对THz响应较小的问题，实现场效应晶体管对THz信号整流后更高的响应。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种基于非对称沟道的场效应晶体管太赫兹波探测器，可以有效解决标准工艺下晶体管对太赫兹波响应不高从而导致整流后的信号太小的问题，实现太赫兹探测器对太赫兹波的高响应度的效果。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种基于非对称沟道的场效应晶体管太赫兹波探测器，包括：
用来接收太赫兹波信号的贴片天线，用于探测该贴片天线接收的太赫兹波信号并整流成较微弱的直流信号读出的非对称沟道的N型-金属-氧化物-半导体场效应晶体管；所述贴片天线及晶体管组之间设置有由三根传输线组成T形阻抗匹配网络，以使天线馈电处的输入阻抗与N型-金属-氧化物-半导体场效应晶体管的源极输入阻抗匹配，以实现贴片天线到N型-金属-氧化物-半导体场效应晶体管之间的功率最大化传输。
所述N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管的栅极外接偏置电源以使N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管的沟道打开，并且在该栅极处接一开路四分之一波长的阻抗变换器，消除对贴片天线与N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管之间的阻抗匹配的影响。
所述N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管的非对称沟道为横梯形状。
本发明的太赫兹波探测器具有以下益效果：
(1)通过非对称沟道的N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管能对太赫兹波信号有更高的响应，以增大探测响应度；
(2)天线与N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管之间设计的阻抗匹配网络可提高太赫兹波信号的功率传输效率，也起到增大探测响应度的作用。
附图说明
图1是本发明的太赫兹波探测器的原理图；
图2是本发明的非对称沟道的N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管的俯视图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1所示，一种基于非对称沟道的场效应晶体管太赫兹波探测器，包括：用来接收太赫兹波信号的贴片天线，用于探测该贴片天线接收的太赫兹波信号并整流成较微弱的直流信号由漏极读出的非对称沟道的N型-金属-氧化物-半导体场效应晶体管(NMOS)；所述贴片天线及晶体管组之间设置有由三根传输线组成T形阻抗匹配网络(传输线匹配网络)，以使天线馈电处的输入阻抗与N型-金属-氧化物-半导体场效应晶体管的源极输入阻抗匹配，以实现贴片天线到N型-金属-氧化物-半导体场效应晶体管之间的功率最大化传输。
本发明是采用非对称沟道的N型-金属-氧化物-半导体场效应晶体管来接收太赫兹信号源传输到天线再传输到匹配网络后的太赫兹信号的。
其中，贴片天线用来接收太赫兹波信号，贴片天线将接收到的太赫兹波信号传输到非对称沟道的N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管的源极，由非对称沟道的N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管探测到读出，实现相应的信号的探测。而为了使得贴片天线接收到的太赫兹波信号功率最大化传输给N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管，在贴片天线与非对称沟道的N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管的源极之间增加一个T形阻抗匹配网络。
本发明中，将天线选择为贴片天线的原因是其结构简单，可以实现很好的俘获太赫兹信号的功能，并且带宽较宽，对于实际测量过程中太赫兹信号源的频率偏移容错率较高。
所述的T形阻抗匹配网络是由三段传输线(TL1，TL2，TL3)组成的T形阻抗匹配网络。由于场效应晶体管的源极输入阻抗实部和虚部都很大，而天线馈电处的输入阻抗远小于晶体管的源极输入阻抗，所以在天线与晶体管之间设置的由三段传输线(TL1，TL2，TL3)组成的T型阻抗匹配网络通过三次阻抗的变换可以实现两者的阻抗匹配，从而实现天线到晶体管之间的功率最大化传输。
其中，所述三段传输线的两段传输线TL1，TL2串接，两端分别和贴片天线的馈电处以及晶体管的源极相连接，第三段传输线的一端接在两段传输线TL1，TL2串接处，另一端接地。
探测器的核心部分就是非对称沟道的N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管，当天线耦合的THz信号从阻抗匹配网络传输到晶体管中后，晶体管沟道的非线性整流可以将THz信号整流成较微弱的直流信号读出，从而实现太赫兹信号的探测，单一的NMOSFET即可实现该功能。但由于标准工艺下的N型场效应晶体管对THz信号的响应有限，最终输出的对THz信号的整流信号也较小，所以将整流的核心区域，即场效应晶体管的沟道做成非对称形状，使得沟道的非线性性更强烈，那么获得的对THz信号的整流输出信号也就更大，意味着更高的THz响应。
进一步的，在所述N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管的栅极外接偏置电源提供偏压以使N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管的沟道打开，并且在该栅极处接一开路四分之一波长传输线所形成的阻抗变换器，消除其对贴片天线与N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管之间的阻抗匹配的影响。
进一步的，所述N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管的非对称沟道为横梯形状，如图2所示，元器件形成在一个衬底上，源极S与漏极D间形成沟道，沟道的一侧为栅极G，沟道为非对称沟通，如图2所示为横梯形状。
本发明中，所述的探测器选用非对称沟道的N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管作为探测部件，通过其沟道的非线性整流从而得到探测信号，而将沟道做成横梯形，能增加其非线性性，提高整流后信号的强度。
综上，可以看出，本发明的太赫兹波探测器具有以下益效果：
(1)通过非对称沟道的N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管能对太赫兹波信号有更高的响应，以增大探测响应度；
(2)天线与N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管之间设计的阻抗匹配网络可提高太赫兹波信号的功率传输效率，也起到增大探测响应度的作用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于非对称沟道的场效应晶体管太赫兹波探测器，其特征在于，包括：用来接收太赫兹波信号的贴片天线，用于探测该贴片天线接收的太赫兹波信号并整流成较微弱的直流信号读出的非对称沟道的N型-金属-氧化物-半导体场效应晶体管；所述贴片天线及晶体管组之间设置有由三根传输线组成T形阻抗匹配网络，以使天线馈电处的输入阻抗与N型-金属-氧化物-半导体场效应晶体管的源极输入阻抗匹配，以实现贴片天线到N型-金属-氧化物-半导体场效应晶体管之间的功率最大化传输。
2.根据权利要求1所述基于非对称沟道的场效应晶体管太赫兹波探测器，其特征在于，在所述N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管的栅极外接偏置电源以使N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管的沟道打开，并且在该栅极处接一开路四分之一波长的阻抗变换器，消除对贴片天线与N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管之间的阻抗匹配的影响。
3.根据权利要求3所述基于非对称沟道的场效应晶体管太赫兹波探测器，其特征在于，所述N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管的非对称沟道为横梯形状。
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